Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой продета через магнитопрозрачную сферу, выполненную из стекла со сквозными нанометровыми порами малого и большого диаметра, заполненными соответственно квантовыми точками структуры ядро-оболочка и магнитными частицами структуры ядро-оболочка. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн точечного воздействия с измерением характеристик электрического сигнала на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Известен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор полимерной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании излучающего элемента в виде стеклянной сферы с нанометровыми порами малого и большого диаметра, где нанометровые поры малого диаметра заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, оболочки которых обладают суперпарамагнитными свойствами, что позволяет осуществить одновременное точечное исследование влияния оптических, магнитных, тепловых факторов на электрические характеристики диагностируемых наноразмерных структур материалов и биологических объектов с многофункциональными свойствами.

Техническим результатом является возможность осуществления точечного стимулирующего воздействия на диагностируемый объект с помощью одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным полимерным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, причем кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной со стеклянной сферой с нанометровыми порами, выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная стеклянная сфера содержит сквозные нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые сквозные поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые сквозные поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми сквозными порами и количеством сквозных пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности стеклянной сферы с нанометровыми порами, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, закреплен у основания электропроводящей магнитопрозрачной иглы и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, фиг.1, состоит из: магнитопрозрачного кантилевера 1, соединенного с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, вершина которой продета в одну из сквозных пор магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с нанометровыми сквозными порами малого 4 диаметра и с нанометровыми сквозными порами большого 5 диаметра. Элементы 1, 2, 3 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Нанометровые сквозные поры малого 4 диаметра заполнены сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним источником возбуждения квантовых точек 8 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой сферической магнитной наночастицы 7 состоит из ферромагнитного материала, а внешняя оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала. Управление перемагничиванием сферических магнитных 7 наночастиц осуществляется за счет изменения магнитного поля плоской 9 микрокатушкой, расположенной над основанием электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 иглы и состоящей из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10. Тип используемого ЦАП (его разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований. Также на фиг.1 представлена подложка 11 с размещенным на ней диагностируемым объектом 12 в момент соприкосновения его с электропроводящей магнитопрозрачной иглой 2 (элементы 4, 5, 6, 7 приведены в увеличенном масштабе на фиг.2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где изображена магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 с нанометровыми сквозными порами 4 малого диаметра, заполненными сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 за счет продевания ее вершины с трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор малого диаметра 4 магнитопрозрачной стеклянной сферы 3, покрытой защитным прозрачным полимерным слоем. Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 12. Стрелками указываются направления входящего λ₁ и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, λ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁. Стрелками с символом (вектор магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешнего магнитного поля, создаваемого плоской 9 микрокатушкой, осуществляющей перемагничивание сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка. Стрелками с символом R_λT (энергетическая светимость тела, равная энергии, испускаемой телом по всему спектру частот) показано направление теплового излучения от сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка к объекту диагностирования 12.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование магнито-оптоэлектронных наноструктур или магнито-термо-светочувствительных наноструктур биологических объектов) используемые для легирования сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 (т.е. длина волны λ₁ больше λ₂ или λ₁ меньше λ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы λ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 12, а стимулирование диагностируемого объекта 12 осуществлялось только излучением сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ₂, которая вызывает появление электрических сигналов откликов в точке соприкосновения вершины магнотопрозрачной электропроводящей иглы 2 с участком диагностируемого объекта 12.

Длина волны поглощения λ₁ каждой сферической квантовой точкой 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₂ каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения.

Ядро каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может включать в себя, по крайней мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.

Ферромагнитное ядро сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt или их комбинации но не ограничивается ими. Размер ядра одной сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала, например может включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe₃O_4, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄ или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что в свою очередь защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 12 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Сочетание ферромагнитных свойств ядра и суперпарамагнитных свойств оболочки, используемых в сферических магнитных 7 наночастицах структуры ядро-оболочка, позволяет свести к минимуму их магнитные свойства при отсутствии внешнего магнитного поля, что позволяет исключить агрегирование (слипание) нескольких магнитных наночастиц при заполнении ими наноразмерных пор большого 5 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 и вести себя подобно постоянному магниту при приложении внешнего магнитного поля больше порогового значения.

Для осуществления изобретения может быть использована, например известная технология изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [3] размером 2-20 нм (оболочка с суперпарамагнитными свойствами) для применения их в биомедицине, например в магнитной гипертермии.

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [4].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и затем за счет проникновения сферических квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляться по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой [5].

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [6].

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 12, расположенному на подложке 11, и надавливает на него, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 12, до включения и после включения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с длиной волны λ₁. В результате сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность диагностируемого объекта 12 излучением длинной волны λ₂, определенной в зависимости от выбранного материала сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ₂ квантовых точек в интервале, равном времени их флуоресценции, после выключения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход ЦАП 10 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку плоской 9 микрокатушки, создающей внешнее магнитное поле, направленное на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 для перемагничивания магнитным потоком сферических магнитных 7 наночастич структуры ядро-оболочка, размещенных в ней. В зависимости от программы исследований на плоскую микрокатушку 9 подаются положительные, или отрицательные, или переменной полярности электрические сигналы, или их комбинации. Под действием электрического управляющего сигнала (например, прямоугольного импульса) плоская 9 микрокатушка создает внешнее магнитное поле (в зависимости от полярности импульса) с тем или иным направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых происходит и соответствующая ориентация магнитных полюсов и увеличение коэрцитивной силы каждой сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка. По окончании действия управляющего сигнала (по заднему фронту прямоугольного импульса), подаваемого на плоскую 9 микрокатушку, внешнее магнитное поле выключается и до окончания времени релаксации (время релаксации зависит от диаметра магнитной наночастицы) сферические магнитные частицы 7 сохраняют свойства постоянных магнитов с соответствующим сохранением направлений собственных магнитных силовых линий. Это позволяет создать локальное точечное управляемое магнитное поле определенной полярности для воздействия на точечный участок диагностируемого объекта 12, расположенного под магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 без влияния на соседние участки и исключения влияния внешнего магнитного поля (после его выключения) на окружающие магниточувствительные зоны.

При подаче на плоскую микрокатушку 9 высокочастотного сигнала переменной полярности (например, 100 кГц [3]) происходит нагрев сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка (за счет известного магнетокалоритического эффекта [3], [7, с. 433]), температура и скорость нагрева которых определяется частотой и амплитудой электрического сигнала с выхода ЦАП 10.

Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом, возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей магнотопрозрачной иглы. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные точечные свето-, магнито- и термочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои электрические свойства при одновременном точечном наноразмерном стимулирующем воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ₂ в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем или точечным тепловым излучением R_λT (нагревом), что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. Патент на полезную модель RU 140007 U1, 27.04.2014, G01Q 60/24. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

2. Патент RU 2541419 С1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 1/00. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

3. Patent Application Publication Pub. №: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

4. Patent Application Publication Pub. №.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

5. Patent Application Publication Pub. №.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

6. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.

7. Елисеев A.A., Лукашин A.B. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с. - ISBN 978-5-9221-1120-1.

1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным полимерным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, отличающийся тем, что кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной со стеклянной сферой с нанометровыми порами, выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная стеклянная сфера содержит сквозные нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые сквозные поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые сквозные поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми сквозными порами и количеством сквозных пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности стеклянной сферы с нанометровыми порами.

2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, закреплен у основания электропроводящей магнитопрозрачной иглы, и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.